Novo istraživanje povezuje izvijanje velikih diskova materijala u svemiru sa Schrodingerovom jednadžbom, koja opisuje kvantno mehaničko ponašanje atomskih i subatomskih objekata.
(Slika: © James Tuttle Keane / Kalifornijski tehnološki institut)
Ogromni diskovi zvijezda ili krhotina mogu djelovati po istim pravilima kao i subatomske čestice, mijenjajući se na temelju Schrodingerove jednadžbe, koju fizičari koriste za modeliranje kvantno-mehaničkih sustava.
Pregledavanje svemirskih struktura s tom jednadžbom može dati novi uvid u to kako se galaksije razvijaju, kao i otkriti tragove o mehanici ranog Sunčevog sustava i djelovanju prstenova koji kruže udaljenim planetima, izvijestilo je novo istraživanje.
Istraživač kalifornijskog tehnološkog instituta Konstantin Batygin, autor nove studije, nije očekivao da će naći tu jednadžbu prilikom proučavanja tih astrofizičkih diskova. "Tada sam bio u potpunom potkrovlju", rekao je Batygin za Space.com. "Očekivao sam da će se pojaviti regularna valna jednadžba, nešto poput vala niza ili nešto slično. I umjesto toga, dobivam ovu jednadžbu, koja je u stvari kamen temeljac mehanike." [Izgradnja planeta 'Leteći džepni disk' iznenađujuće je cool (Video)]
Pomoću Schrodingerove jednadžbe fizičari mogu protumačiti interakcije sustava na atomskoj i subatomskoj ljestvici u smislu valova kao i čestica - ključni pojam u kvantnoj mehanici koji opisuje ponekad neintuitivno ponašanje tih sustava. Ispada da iskrivljenje astrofizičkih diskova također može djelovati poput čestica.
"Retrospektivno, kad sada gledam na problem, iznenadio sam se kako nisam samo pretpostavio da će to biti", rekao je Batygin, koji je možda i najpoznatiji (za sve ljude - laika) za zajednicu - autor studije iz 2016. godine s kolegom Caltech-ovim istraživačem Mikeom Brownom koji je pronašao dokaze za moguću neotkrivenu "planetu devet" u mračnim dubinama našeg vanjskog sunčevog sustava.
Eksplozija iz prošlosti
Batygin je naišao na vezu kad je predavao čas. Pokušavao je objasniti kako valovi putuju kroz široke diskove koji su sastojak svemirske arhitekture - na primjer, takvi su diskovi izgrađeni od zvijezda oko supermasivnih crnih rupa u središtu galaksije, a napravljeni su od prašine i krhotina u sustavu novorođenih zvijezda. Diskovi se savijaju i previjaju na složen način koji trenutni modeli ne mogu podnijeti na svim vremenskim razmacima. Znanstvenici mogu izračunati svoje djelovanje u vrlo kratkom vremenskom rasponu, poput onoga što se događa tijekom nekoliko orbita, kao i načina na koji će se oni raštrkati tijekom čitavog životnog vijeka, ali ne i kako će se i zašto mijenjati redoslijedom stotina tisuća godina.
"Stvari se mogu dogoditi, a zapravo ne znate zašto - to je kompliciran sustav, tako da samo vidite kako se stvari odvijaju, vidite kako se odvija neka vrsta dinamičke evolucije", rekao je Batygin. "Ako nemate ovu monstruozno kompliciranu fizičku intuiciju, jednostavno ne razumijete što se događa u vašoj simulaciji."
Kako bi pratio razvoj diska, Batygin je posudio trik iz 1770-ih: izračunavajući način na koji su matematičari Joseph-Louis Lagrange i Pierre-Simon Laplace modelirali Sunčev sustav kao niz džinovskih petlji koje prate orbite planeta. Iako model nije bio koristan u kratkim vremenskim razmacima nekoliko krugova oko sunca, mogao je točno prikazati interakcije orbita jedna s drugom tijekom vremena.
Umjesto da modelira orbite pojedinih planeta, Batygin je koristio niz tanjih i tanjih prstenova za predstavljanje različitih komada astrofizičkog diska, poput slojeva luka, koji su svaki vezani za masu orbitiranih tijela u toj regiji. jedni s drugima mogli bi modelirati kako će se disk prevrtati i mijenjati.
A kad se sustav previše komplicirao da bi se ručno ili za računalom računao kako je dodao više prstenova, koristio se matematičkim prečacem za pretvaranje u opis beskonačnog broja beskonačno tankih prstenova.
"Ovo je samo nadaleko poznat matematički rezultat koji se koristi u fizici lijevo i desno", rekao je Batygin. Ali ipak, nekako, nitko nije poduzeo skok da na taj način modelira astrofizički disk.
"Ono što me doista bilježi je da nitko prije nije zamaglio [prstenove] u kontinuitet," rekao je. "To se čini tako očito retrospektivno, a ne znam i zašto to nisam ranije mislio."
Kad je Batygin prošao kroz te proračune, nastala je jednadžba iznenađujuće poznata.
"Naravno, njih dvoje su povezani, zar ne? U kvantnoj mehanici vi čestice tretirate kao valove", rekao je. "Retrospektivno, nekako je gotovo intuitivno da biste trebali dobiti nešto poput Schrodingerove jednadžbe, ali tada sam se zaista iskreno iznenadio." Jednadžba se prije neočekivano pojavila, dodao je, primjerice, u opisima oceanskih valova, kao i o načinu na koji se svjetlost kreće kroz određene nelinearne medije.
"Ono što moje istraživanje pokazuje jest da se dugoročno ponašanje astrofizičkih diskova, način na koji se savijaju i previjaju, pridružuje ovoj grupi klasičnih konteksta koji se mogu shvatiti u bitno kvantnom okviru", rekao je Batygin.
"Novi rezultati stvaraju zanimljivu analogiju između dvije situacije: Način na koji valovi putuju kroz astrofizičke diskove, odbijajući se od unutarnjeg i vanjskog ruba, jednak je načinu na koji jedna kvantna čestica odskoči naprijed-natrag između dva zida", rekao je.
Pronalaženje te ekvivalencije ima jednu zanimljivu posljedicu: Batygin je bio u mogućnosti posuditi dio posla koji su uradili istraživači koji su već intenzivno proučavali i radili kroz ovu kvantnu situaciju, a zatim je interpretirao jednadžbu u ovom novom kontekstu kako bi shvatio kako diskovi reagiraju na vanjske poteze i perturbacije.
"Fizičari imaju puno iskustva sa Schrodingerovom jednadžbom; pojavljuje se već na 100 godina", rekao je za Space.com Greg Laughlin, astrofizičar sa sveučilišta Yale koji nije bio uključen u studiju. "I puno je dubokih misli prešlo u razumijevanje njegovih posljedica. I tako da se sada čitav objekt može primijeniti na evoluciju diskova."
"A za nekoga poput mene - koji ima bolji smisao, iako nesavršen, u tome što rade protozvezdani diskovi - ovo također daje priliku krenuti drugim putem i možda dobiti dublji uvid u kvantne sustave koristeći analogiju diska", rekao je dodan. "Mislim da će pobuditi puno pažnje i zanimanja, vjerojatno konsternacije. I na kraju, mislim da će to biti zaista zanimljiv razvoj."
Okvir razumijevanja
Batygin se raduje primjeni jednadžbe za razumijevanje različitih aspekata astrofizičkih diskova.
"Ono što sam predstavio u ovom radu je okvir", rekao je Batygin. "Napadao sam jedan određeni problem s tim, a to je problem krute diskete - u kojoj mjeri disk može ostati gravitacijski kruti pod vanjskim poremećajima. Trenutno postoji širok spektar dodatnih aplikacija."
Jedan od primjera je evolucija diska krhotina koji je s vremenom formirao naš sunčev sustav, rekao je Batygin. Druga je dinamika prstenova oko ekstrasolarnih planeta. I trećina je disk zvijezda koji okružuje crnu rupu u središtu Mliječnog puta, koja je i sama visoko savijena.
Laughlin je napomenuo kako bi rad trebao biti posebno koristan u poboljšanju istraživačkog razumijevanja sustava novorođenih zvijezda jer ih je teže promatrati iz daleka, a istraživači trenutno ne mogu simulirati njihov razvoj od početka do kraja.
"Matematički okvir koji je Konstantin sastavio dobar je primjer nečega što bi nam zaista moglo pomoći da shvatimo kako se ponašaju predmeti stari stotine tisuća orbita, poput diska koji stvara planet", rekao je.
Prema Fredu Adamsu, astrofizičaru sa Sveučilišta u Michiganu koji nije sudjelovao u studiji, ovo je novo djelo najkorisnije za sustave u kojima se gravitacijski efekti velikih razmjera ukidaju. Za sustave sa složenijim gravitacijskim utjecajima, poput galaksija s vrlo izraženim spiralnim krakovima, bit će potrebna neka druga strategija modeliranja. Ali za ovu je klasu problema zanimljiva varijacija približnih valova u astrofizičkim diskovima, rekao je.
"Istraživanja u bilo kojem polju, uključujući cirkularne diskove, uvijek imaju koristi od razvoja i korištenja novih alata", rekao je Adams. "Ovaj rad predstavlja razvoj novog analitičkog alata ili novi zaokret na starijim alatima, ovisno o tome kako gledate. U svakom slučaju, to je još jedan dio veće slagalice."
Okvir će omogućiti istraživačima da razumiju strukture koje astronomi vide na noćnom nebu na novi način: Dok se ovi diskovi mijenjaju na daleko dužim vremenskim razmacima nego što ih ljudi mogu promatrati, jednadžba se može primijeniti kako bi se utvrdilo kako je sustav dospio do točke koju vidimo danas i kako bi se to moglo promijeniti u budućnosti, rekao je Batygin. A sve se temelji na matematici koja obično opisuje nevjerojatno brze, brze interakcije.
"Postoji taj intrigantni reciprocitet između matematike koja upravlja ponašanjem subatomskog svijeta i matematike koja upravlja ponašanjem [i] dugoročnom evolucijom ovih astronomskih stvari koje se odvijaju u mnogo, puno dužim vremenskim okvirima", dodao je. "Mislim da je to izvanredna i intrigantna posljedica."
Novi rad detaljno je opisan danas (5. ožujka) u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
